三峽工程混凝土的堿-骨料反應(yīng)試驗研究

摘要：三峽工程大壩混凝土將利用閃云斜長花崗巖碎石作粗骨料，用斑狀花崗巖制成的砂作細骨料。由于花崗巖含有應(yīng)變石英，普遍出現(xiàn)波狀消光，另外在應(yīng)力集中區(qū)，石英形成不同類型的位錯，因此其堿活性反應(yīng)具有緩慢、持續(xù)時間長的特點，從地質(zhì)環(huán)境、巖相、物理、化學等多方面進行了研究，采用多種方法進行了對照檢驗。結(jié)果表明，花崗巖的礦物組成主要是長石、石英、黑云母和少量角閃石或綠泥石等，用巖相法、化學法、砂漿長度法、小棒快速法、砂漿棒快速法、混凝土棱柱體法等進行測定屬非活性，在低堿條件下，不會導致危害性膨脹，但在高堿條件下，砂漿膨脹率在數(shù)年后仍繼續(xù)增長，為確保工程安全，應(yīng)嚴格控制水泥含堿量。

關(guān)鍵詞：三峽工程；堿骨料反應(yīng)；花崗巖；骨料

      三峽二期工程混凝土將利用基坑開挖的閃云斜長花崗巖軋制的碎石作粗骨料，用下岸溪料場的斑狀花崗巖制成的砂作細骨料。由于花崗巖廣泛分布于不同時代的褶皺帶和前寒紀地盾區(qū)，多次承受強大的地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力作用，巖石礦物發(fā)生強烈范性變形，晶體發(fā)生多種位錯，能量被貯存在點陣中。所以，花崗巖有時會表現(xiàn)出顯著出現(xiàn)膨脹開裂的延續(xù)時間長達數(shù)十年的緩慢反應(yīng)型的堿活性^[1]?；炷链髩闻c建筑物一旦發(fā)生減骨料反應(yīng)破壞，修復(fù)是極其困難的，造成的經(jīng)濟損失將是巨大的。關(guān)于花崗巖的堿活性原因，有人推論與其中的應(yīng)變石英有關(guān)，如美國B. S Gogte^[2]指出：當骨料中應(yīng)變石英含量超過20%，同時應(yīng)變石英平均波狀消光角大于15°時，這種骨料具有潛在活性。而印度A.K.Mullick^[3]建議應(yīng)變石英波狀消光角在25°以上，應(yīng)變石英含量在25%以上可視為具潛在活性。但也有人認為兩者之間沒有直接關(guān)系。石英由于受到應(yīng)力作用，晶體產(chǎn)生缺陷，而出現(xiàn)波狀消光，P. E. Grattan-Bellew^[4]選擇三種花崗巖進行研究，發(fā)現(xiàn)石英的波狀消光角與堿活性膨脹率近似一種線性關(guān)系，即石英波狀消光角愈大，堿活性膨脹率也愈大。三峽工程花崗巖含有應(yīng)變石英，普遍出現(xiàn)波狀消光。另外在應(yīng)力集中區(qū)，石英形成不同類型的位錯，有位錯弓彎、位錯網(wǎng)和位錯纏結(jié)等，這是三峽工程花崗巖的主要活性來源。為了保證三峽工程的安全，對工程使用的花崗巖骨料，從地質(zhì)環(huán)境、巖相、物理、化學等多方面進行了研究，采用了多種方法進行對照檢驗，綜合評定其堿活性。

1 堿-骨反應(yīng)及試驗方法

1.1 堿-骨料反應(yīng)

      堿-骨料反應(yīng)(Alkali-Aggregate Reaction，簡稱“AAR”)，是指水泥中的堿與某些活 性骨料發(fā)生化學反應(yīng)，引起混凝土的不均勻膨脹，導致開裂破壞。自從1940年美國T.E.Stanton提出此問題以來，已有不少國家出現(xiàn)AAR破壞的工程實例，如美國、法國、印度等國使用花崗巖或片麻巖骨料，出現(xiàn)了堿-骨料反應(yīng)的破壞事故。巴西的Moxot′水電站^[5]使用黑云母花崗巖作混凝土骨料，八年后出現(xiàn)了危害性的堿骨料反應(yīng)。特別是法國的Shambon壩^[6]使用片麻巖及云母片巖作混凝土骨料，出現(xiàn)了沿大壩高度總膨脹量超過了10cm，大壩上部向上游方向傾斜了15cm的混凝土堿骨料反應(yīng)破壞的工程實例。因此，堿-骨料反應(yīng)問題逐漸引起了世界各國的重視。

　　堿-骨料反應(yīng)，通?？煞譃閮纱箢愋?，即堿-硅反應(yīng)(Alkali-Silica Reaction，簡稱“ASR”和堿-碳酸鹽反應(yīng)(Alkali-Carbonate Reaction，簡稱“ACR”。ASR是指水泥中的堿與活性SiO₂，如微晶質(zhì)、隱晶質(zhì)、玻璃質(zhì)和應(yīng)變的石英及玉髓等發(fā)生化學反應(yīng)，生成堿的硅酸鹽凝膠，吸水后體積膨脹，引起混凝土膨脹、開裂。蛋白石、隧石、石英巖、砂巖、火山熔料等均含有活性SiO₂。ACR是指水泥中的堿與某些碳酸鹽骨料，如白云石發(fā)生反應(yīng)引起膨脹，使混凝土開裂破壞。由于白云石含粘土，堿離子通過包裹在細小白云石微晶外的粘土滲入白云石顆粒，使其反應(yīng)產(chǎn)物不能通過粘土向外擴散，而使骨料膨脹，導致混凝土開裂。

　　引起堿-骨料反應(yīng)的必要條件是：水泥超過安全含堿量，存在活性骨料并超過一定的數(shù)量，要有水分，如果沒有水分，反應(yīng)就會減小或完全停止。影響堿-骨料反應(yīng)膨脹的因素很多，主要有水泥含堿量、濕度、溫度、外加劑及摻合料，混凝土或砂漿中的水泥用量，活性骨料的數(shù)量、粒徑和活性大小等。 當混凝土處于潮濕的環(huán)境，混凝土中含堿量較高，并含有活性骨料，則有可能發(fā)生堿-骨料反應(yīng)而導致膨脹、開裂。因此，必須對工程用的骨料是否含活性成分進行鑒定，并且測定水泥含堿量，以便采取必要的抑制堿-骨料反應(yīng)的預(yù)防措施。

1.2 堿-骨料反應(yīng)試驗方法

    對骨料堿活性的評定，至今國際上尚無一個一致認可的普遍方法。巖相法對選擇合適的檢測方法有重要指導作用，一直是作為骨料堿活性鑒定的首選方法，它是通過顯微鏡觀察來鑒定骨料的種類和成分，特別是那些已知活性礦物存在與否的骨料，以此來判斷其是否存在堿活性，但其缺點是得不到活性組分含量與膨脹率的定量關(guān)系，并且，此方法需要有相當熟練的技術(shù)。化學法是和砂漿長度法配合使用的，是國際上公認的傳統(tǒng)方法，但它的缺點是不能鑒定由于微晶石英或變形石英所導致的慢膨脹骨料，另一個缺點是存在非SiO₂物質(zhì)如碳酸鹽、石膏、粘土等的干擾，這些干擾常常造成根本性的錯誤。砂漿長度法是與ASTM C227類同的比較經(jīng)典的方法，但它的缺點是僅適用于一些高活性的快膨脹的巖石和礦物，對慢膨脹骨料則不適用。砂漿棒快速法是于1994年同時被美國和加拿大定為標準的方法(ASTM 1260和CSA A23·2-14A)，研究結(jié)果與工程記錄的對比表明，該方法對硅質(zhì)骨料，尤其是慢膨脹骨料與工程使用記錄具有很好的一致性，被認為是比較精確可靠的，但它的問題是過于嚴格，某些工程被證明是無害的骨料可能被判為有害；混凝土棱柱體法受水泥細度、水灰比和養(yǎng)護條件(溫度、濕度)及配合比等的影響較大，而且試驗周期較長。

     三峽工程基坑花崗巖的礦物組成，主要是斜長石、石英、黑云母和少量角閃石，巖石呈花崗狀結(jié)構(gòu)和塊狀構(gòu)造。下岸溪花崗巖的礦物組成主要是斜長石、鉀長石、石英和少量綠泥石，巖石呈花崗狀結(jié)構(gòu)、斑狀結(jié)構(gòu)和塊狀構(gòu)造。三峽壩基及下岸溪料場花崗巖，地層為上元古界前震旦系，距今8億年，地層相對穩(wěn)定，但造山運動對本地區(qū)花崗巖仍有輕微影響，主要表現(xiàn)是石英受到應(yīng)力作用，普遍出現(xiàn)波狀消光，但波狀消光角都不大，平均都在4.4°以下，最大為10°。另外在應(yīng)力集中區(qū)，石英形成不同類型的位錯，有位錯弓彎、位錯網(wǎng)和位錯纏結(jié)等。石英的粒度在0.3～2mm，屬于細料，沒有發(fā)現(xiàn)微粒石英。對兩個料場的花崗巖中的主要巖石礦物進行了電子探針單礦物分析，斜長石在二長花崗巖中，斜長石酸度較高，在端元組分上Ab變化在96.04～97.70之間，其種屬全為鈉長石?；◢忛W長巖中，斜長石酸度較低，其端元組分Ab變化于79.37～81.25之間，其種屬全為更長石。閃云斜長花崗巖其種屬為中長石。鉀長石主要是微斜長石，僅大斑晶是微斜條紋長石。

2.2 巖石的化學全分析

     對所取巖石按《水泥化學分析方法》(GB/T176-1996)對其化學成分進行了測定，試驗結(jié)果表明，巖石的主要化學成分為SiO₂和Al₂O₃，還有少量Fe₂O₃、FeO、MgO、CaO等，其中K₂O的含量在0.54%～2.89%之間，平均為1.54%，Na₂O的含量在1.40%～7.73%之間，平均為4.91%，二者的當量含堿量(Na₂Oe)總含量在2.47%～8.20%，平均為5.92%。

2.3 巖石的化學法測定

       按《水工混凝土試驗規(guī)程》(SD105-82)方法進行?；钚怨橇系脑u定標準：當試驗結(jié)果出現(xiàn)Rc>70，而Sc>Rc或Rc>70而Sc>35+Rc/2中的任何一種情況，該試樣應(yīng)評為具有潛在有害反應(yīng)的活性骨料。所采巖石樣品的化學法測定結(jié)果列于表1。從表1可以看出，所有樣品用“化學法”測定均為非活性骨料。

表1 巖石的化學法測定

巖樣編號	料場	巖石名稱	堿度降低值Rc(mmol/L)	可溶性二氧化硅Sc(mmol/L)	結(jié)果評定
96-52	基坑	黑云斜長片麻巖	223.1	15.4	非活性
96-61	基坑	閃云斜長花崗巖	58.3	13.73	非活性
96-66	基坑	斜閃煌斑巖	135.9	18.31	非活性
96-67	基坑	碎裂化斜長花崗巖	99	9.98	非活性
96-71	下岸溪	斜長花崗巖	108.72	21.64	非活性
96-72	下岸溪	綠泥石化輝綠巖	178.94	27.47	非活性
96-73	下岸溪	石英砂巖	202.5	106.34	非活性
96-75	下岸溪	斑狀二長花崗巖	114.75	90.73	非活性
96-80	下岸溪	花崗巖閃長巖	54	37.66	非活性
96-88	下岸溪	綠泥石化輝錄巖	90	14.57	非活性

 

       按《水工混凝土試驗規(guī)程》(SD105-82)方法進行。試驗的評定標準是半年膨脹率如超過0.1%，則骨料具有潛在活性。試驗采用525中熱硅酸鹽水泥，除水泥本身含堿量(0.54%)外，還外加堿使當量含堿量分別達到0.8%、1.2%進行試驗。試驗結(jié)果見表2。試驗結(jié)果表明，試件的膨脹率與水泥的當量含堿量及齡期有關(guān)。水泥當量含堿量越大，試件的膨脹率越大，試件的膨脹率隨齡期的增加而增大。所有樣品180d齡期的膨脹率均小于0.1%，表明用“砂漿長度法”檢測評定屬非活性骨料。

表2 砂漿長度法試驗結(jié)果

巖樣編號	巖石名稱	當量含堿量(%)	試件膨脹率(%)
			30d	60d	90d	180d
96-52 96-61 96-66 96-71 96-72 96-73 96-75 96-87	黑云斜長片麻巖 閃云斜長花崗巖 斜閃煌斑巖 斜長花崗巖 綠泥石化輝綠巖 石英砂巖 斑狀二長花崗巖 綠泥石化輝綠巖	0.54 0.80 1.20 0.54 0.80 1.20 0.54 0.80 1.20 0.54 0.80 1.20 0.54 0.80 1.20 0.54 0.80 1.20 0.54 0.80 1.20 0.54 0.80 1.20	0.006 0.007 0.013 0.002 0.005 0.016 0.002 0.008 0.011 0.013 0.014 0.017 0.008 0.008 0.012 0.004 0.005 0.012 0.005 0.005 0.008 0.001 0.001 0.004	0.006 0.007 0.015 0.002 0.006 0.021 0.004 0.011 0.016 0.019 0.019 0.022 0.009 0.009 0.014 0.005 0.005 0.013 0.007 0.007 0.011 0.005 0.055 0.009	0.007 0.009 0.016 0.005 0.012 0.023 0.005 0.013 0.018 0.020 0.020 0.024 0.009 0.009 0.014 0.008 0.008 0.019 0.007 0.007 0.012 0.005 0.005 0.009	0.007 0.009 0.018 0.005 0.012 0.026 0.005 0.015 0.020 0.020 0.020 0.024 0.009 0.009 0.014 0.010 0.013 0.034 0.011 0.012 0.017 0.005 0.006 0.012

 

圖1 閃云斜長花崗巖砂漿長度法試件的膨脹率與齡期關(guān)系曲線

　　曾對三峽壩基的閃云斜長花崗巖進行過砂漿長度法長齡期的觀測，試驗用水泥為葛洲壩600號大壩水泥(現(xiàn)525中熱硅酸鹽水泥)，水泥的含堿量為0.78%，除水泥本身含堿量外，還外加堿使當量含堿量分別達到0.8%、1.0%、1.2%、1.5%、2.0%進行試驗。觀測結(jié)果見圖1。從圖1可以看出，閃云斜長花崗巖砂漿試件的膨脹率有隨齡期的增加而增長的趨勢，至13年齡期時達到最大值，之后，呈現(xiàn)出下降的趨勢，反應(yīng)似乎表現(xiàn)出撏Ｖ蛿?shù)默F(xiàn)象。膨脹率還與水泥的當量含堿量有關(guān)，膨脹率隨水泥當量含堿量的增加而增大。當水泥當量含堿量達到1%時，砂漿試件14年齡期的膨脹率仍然小于0.1%的危害值。

       按中國工程建設(shè)標準化協(xié)會CECS48:93的方法進行。試件結(jié)果評定：在3個配比中，用膨脹率最大的一組來評定骨料的堿活性，如膨脹率大于或等于0.1%，則評定為活性骨料，小于0.1%則為非活性骨料。這種方法僅適用于評定硅質(zhì)骨料的堿活性。骨料的小棒快速法試驗結(jié)果見表3。從試驗結(jié)果可以看出，試件的最大膨脹率為0.066%，小于0.1%，說明用該方法評定屬非活性骨料。
 
2.6 砂漿棒快速法

       本試驗按美國ASTM C1260-94方法進行。試驗的評定標準：14d齡期的砂漿膨脹率小于0.1%，則骨料是無害的，膨脹率大于0.2%，則表明骨料具有潛在堿活性，膨脹率在0.1%和0.2%之間需進行其他必要的輔助試驗，也可將度件延至28d觀測來作最后定論。兩個料場巖石砂漿棒快速法試驗結(jié)果見表4。從試驗結(jié)果來看，所有樣品14d齡期的膨脹率均小于0.1%，表明用“砂漿棒快速法”檢測評定屬非活性骨料。

  表4 砂漿棒快速法試驗結(jié)果

巖樣編號	巖石名稱	試件膨脹率(%)	評定結(jié)果
96-52	黑云斜長片麻巖	0.037	非活性
96-61	閃云斜長花崗巖	0.030	非活性
96-66	斜閃煌斑巖	0.041	非活性
96-67	碎裂化斜長花崗巖	0.064	非活性
96-68	碎裂花崗巖	0.060	非活性
96-71	斜長花崗巖	0.034	非活性
96-72	綠泥石化輝綠巖	0.036	非活性
96-73	石英砂巖	0.039	非活性
96-74	綠泥石化輝綠巖	0.039	非活性
96-75	斑狀二長花崗巖	0.030	非活性
96-80	花崗閃長巖	0.056	非活性
96-87	綠泥石化輝綠巖	0.066	非活性

 

      常用的混凝土棱柱體法是加拿大方法，即CSA A23·2-14A方法。這一方法規(guī)定所用水泥的含堿量為1.0%±0.2%，并通過外加NaOH的方法，使水泥當量含堿量達到1.25%。以試件一年齡期的膨脹率作為判斷骨料堿活性的依據(jù)，當試件一年齡期的膨脹率等于或超過0.40%時，則骨料判定為潛在有害活性。膨脹率小于0.04%，則判定為非活性骨料。粗細骨料使用同一種巖石的混凝土棱柱體法試驗結(jié)果列于表5。從表5可以看出，巖石的混凝土試驗364d齡期的膨脹率均小于0.04%，表明用“混凝土棱柱體法”檢測評定屬非活性骨料。

 

巖樣編號	巖石名稱	試件膨脹率(%)
		14d	28d	91d	182d	364d
96-130	黑云斜長片麻巖	-0.0004	0.0011	0.0061	0.0117	0.0175
96-131	閃云斜長花崗巖	-0.0073	-0.0029	0.0018	0.0062	0.0081
96-132	碎裂化斜長花崗巖	-0.0015	0.0040	0.0040	0.0061	0.0043
96-134	綠泥石化輝綠巖	0.0008	0.0052	0.0069	0.0084	0.0061
96-135	斑狀二長花崗巖	-0.0017	-0.0005	0.0040	0.0052	0.0033
96-138	花崗斜長巖	-0.0021	-0.0010	0.0028	0.0065	0.0084

3 結(jié)語

　　三峽基坑花崗巖的礦物組成，主要是斜長石、石英、黑云母和少量角閃石，巖石呈花崗狀結(jié)構(gòu)和塊狀構(gòu)造。下岸溪花崗巖的礦物組成主要是斜長石、鉀長石、石英和少量綠泥石，巖石呈花崗巖狀結(jié)構(gòu)、斑狀結(jié)構(gòu)和塊狀構(gòu)造，波狀消光角小，沒有微晶石英。用巖相法、化學法、砂漿長度法、小棒快速法、砂漿棒快速法、混凝土棱柱體法等各種方法檢驗，基坑閃云斜長花崗巖、下岸溪斑狀花崗巖屬非活性巖石。由于堿骨料反應(yīng)的復(fù)雜性，目前國際上還沒有一個一致認可的方法，從混凝土的耐久性和工程安全的角度考慮，應(yīng)嚴格控制工程所用水泥的含堿量。

　

參 考 文 獻：

[1] 劉崇熙，方梓蕓，汪在芹，李珍.混凝土骨料性能和制造工藝[M].廣州：化南理工大學出版社，1999年8月.

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[5] Cavalcanti A. J. C. T.Alkali-Aggregate Reaction at Moxoto Dam， Brazil [C]. Proc 7th Int Conf. Ottawa， 1986: 168-172.

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